Gebiet der Technik
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf Verdrängermaschinen, und betrifft insbesondere einen
Schrauben-Bohrlochsohlenmotor,
Bisheriger Stand der Technik
[0002] Zur Zeit werden zum Niederbringen von Bohrungen zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren
angewendet. Das eine dieser Verfahren ist das Rotarybohren bei dem der Antrieb eines
Gesteinszerstörungswerkzeuges, nämlich eines Bohrmeißels,an der Tagesoberfläche angeordnet
ist, und die Drehung des Bohrmeißels mittels eines Bohrgestänges zustandegebracht
wird. Das zweite Verfahren besteht im Einsatz von hydraulischen Bohrlochsohlenmotoren,
die unmittelbar über dem Bohrmeißel angebracht sind, als Antrieb. Dabei ist das Bohrgestänge
feststehend angeordnet. Das zweite Verfahren hat eine Reihe von offensichtlichen Vorteilen,
u.z., fällt es der Energieaufwand für die Drehung des Bohrgestänges weg, die auf das
Bohrgestänge einwirkenden Belastungen werden vermindert und dementsprechend sinkt
die Anzahl von Havariefällen im Schacht.
[0003] Unter allen Typen der hydraulischen Bohrlochsohlenmotoren, die zur Zeit zum Niederbringen
von Bohrungen eingesetzt werden, finden Schrauben-Bohrlochsohlenmotore eine breite
Anwendung• Diese Motoren zeichnen sich durch einen einfachen Betrieb und eine einfache
Bedienung sowie durch geringe Außenabmessungen aus, können mit Bohrspülungen unterschiedlicher
Dichte und Viskosität betrieben werden (Gusman M.T., Valdenko D.F. u.a. "Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren
zum Niederbringen von Bohrungen", 19d1, Nedra, Moskau). Solche Hydraulikmaschinen
enthalten üblich ein Gehäuse, eine Antriebswelle mit radialen und axialen Lagerungen
und Arbeitsorgane, die aus zwei Elementen bestehen, u.z. einer mit Gummi überzogenen
Bucnse, nämlich einem Stator mit Innenschraubenzähnen und einer innerhalb des Stator
angeordneten Welle, nämlich einem Rotor mit Außenschraubenzähnen. Die Zähnenanzahl
der Buchse übersteigt um eine Eins die Zähnenanzahl der welle, wodurch bei deren Wechselwirkung
eine Einteilung des Innenraumes der Arbeitsorgane in Hochdruck- und Niederdruckkammern
gewährleistet wird, wenn eine Flüssigkeit durch die Arbeitsorgane durchgepumpt wird.
Unter Einwirkung des entstehenden Druckgefälles beginnt der Rotor sich relativ zu
dem Stator zu bewegen, wobei die Rotorachse einen Kreis um die Statorachse beschreibt.
Diese Drehung wird auf die Antriebswelle des Motors übertragen. Als Energiequelle
für den Betrieb des Motors dient üblich ein Flüssigkeitsstrom; die Hydraulikmaschine
kann auch mit mit Luft gesättigter Flüssigkeit oder mit Druckluft betrieben werden.
[0004] Zur Zeit werden zum Niederbringen von Bohrungen Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren eingesetzt,
in denen der ganze zuzuführende Strom der Betriebsflüssigkeit zwischen dem Stator
und dem Rotor geleitet wird.
[0005] Einer der Hauptnachteile der genannten Motoren besteht darin, daß deren Ausgangsdaten
in Abhängigkeit von der zuzuführenden Durchflußmenge der Betriebsflüssigkeit stehen.
Da beim Niederbringen von Bohrungen die technologiebedingten Anforderungen mit den
energetischen Möglichkeiten der Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren öfters nicht übereinstimmen,
werden diese nicht selten unter nicht günstigen Bedingungen betrieben, wenn sich die
Strömungsgeschwindigkeit und das Druckgefälle der Betriebsflüssigkeit als erhöht erweisen,
was zu einem vorzeitigen Ausfall der Teile und der Baugruppen der Motoren führt.
[0006] Zur Beseitigung des genannten Nachteils werden im axialen Kanal des Rotors Düsen
vom konoidförmige Typ (SU-Urheberscheinsschrift Nr. 436595, Kl. E 21B 4/00, 1972)
angebracht, durch welche der Strom der Betriebsflüssigkeit gedrosselt wird.
[0007] Die Kenndaten solcher Motoren werden "sanfter", d.h., die Drehzanl der Antriebswelle
nimmt bei der Steigerung des Widerstandsmomentes bedeutend schneller ab, als bei den
Hydraulikmotoren ohne Düsen.
[0008] Das führt mit der Zunahme der Belastung zu einer intensiven Verminderung der Drehzahl
und zur Stillsetzung der Antriebswelle des Motors bei niedrigeren Werten des Widerstandsmomentes,
wodurch eine Verminderung des Betriebsdrehmomentes an der Welle und als Folge eine
Reduzierung der wirksamkeit des Bohrens hervorgerufen werden.
Offenbarung der Erfindung
[0009] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen solchen Schrauben-Bohrlochsohlenmotor
zu schaffen, bei dem die Konstruktion des Reglers zur Regelung des Betriebsflüssigkeitsstromes
es ermöglicht, die Betriebswerte des Drehmomentes und die Drehzahl an der Antriebswelle
des Motors bei einer praktisch unveränderlichen Drehzahl der Antriebswelle im Leerlaufbetrieb
zu erhöhen.
[0010] Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einem Bohrlochsohlenmotor, enthaltend
eine Spindeleinheit und eine Antriebseinheit, die Arbeitsorgane - einen Stator und
einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor - hat, in dessen axialem, mit dem Hochdruckbereich
der Betriebsflüssigkeit verbundenem Kanal ein Regler zur Regelung des Flüssigkeitsstromes
mit einer Düse angebracht ist, erfindungsgemäß die Düse zwei in der Strömungsrichtung
der Betriebsflüssigkeit aufeinanderfolgend angeordnete Kammern, nämlich eine Aufnahme-
und eine Abgabekammer hat, deren mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülenden Oberflächen
über eine Bruchlinie gekoppelt sind, wobei der ringförmige an die Bruchlinie angrenzende
Abschnitt der Aufnahmekammer relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit
konvex ausgeführt ist, und die Querschnittsfläche der Aufnahmekammer am Austritt Kleiner
als deren Querschnittsfläche am Eintritt ist.
[0011] Die vorliegende Erfindung gestattet es, die Betriebswerte des Drehmomentes und die
Drehzahl der Antriebswelle des Motors zu erhöhen und dadurch die Wirksamkeit des Niederbringens
von Bohrungen zu steigern. beim Gelangen der Betriebsflüssigkeit in die Düse werden
die Strahlen .an der Bruchlinie abgerissen, wodurch in der Aufnahmekammer ein mächtiger
Wirbel gebildet wird, dessen Energie mit der Erhöhung des Druckgefälles zunimmt, indem
sie eine Erhöhung des Strömungswiderstandes der Düse hervorruft und zu einer Vergrößerung
der Durchflußmenge der zwischen dem Rotor und dem Stator durchlaufenden Flüssigkeit
beträgt.
[0012] Der Regler in der erfindungsgemäßen Ausführung ist sehr gedrungen im Aufbau, läßt
sich leicht in einen beliebigen Motor einbauen und kann ohne Auseinandernehmen der
Hydraulikmaschine ausgewechselt werden.
[0013] Gemäß einer der Ausführungsvarianten der Erfindung besteht die Düse aus zwei Elementen:
einer Buchse und einem innerhalb dieser Buchse angeordneten Stab, wobei die Aufnahme-
und die Abgabekammern durch die Oberflächen der Buchse und des Stabes gebildet sind
und eine ringförmige Gestalt haben.
[0014] Bei einer anderen Ausführungsvariante der Erfindung ist der Stab zylinderförmig ausgebildet,
und die Buchse ist an der Innenfläche mit einem ringförmigen Ansatz versehen, der
einen konvexen Abschnitt der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.
[0015] Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung ist die Buchse zylinderförmig
ausgebildet, während der Stab mit einem ringförmigen Ansatz versehen ist, der einen
konvexen Abschnitt der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.
[0016] Gemäß noch einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung sind an der Buchse und
dem Stab ringförmige Ansätze vorhanden, von denen jeder Ansatz einen konvexen Abschnitt
der Oberfläche der Aufnahmekammer bildet.
[0017] Alle Ausführungsvariante der Erfindung gestatten es, die "Steifigkeit" der Kennlinie
zu erhöhen, u.z., die Abhängigkeit der Drehzahl von der Belastung an der Ausgangswelle
zu vermindern. Das wird dadurch erzielt,
daß die über die krummlinige Oberfläche der Aufnahmekammer fließenden Flüssigkeitsstrahlen
an der Bruchlinie abgerissen werden und einen Raum mit einer intensiven wirbelartigen
Bewegung bilden. Je höher das Druckgefälle an den Arbeitsorganen(dem Rotor und dem
Stator) und folglich an der Düse ist, desto intensiver werden die Flüssigkeitsstrahlen
durchgemischt und desto höher ist der Widerstand der Düse und desto kleiner ist die
Menge an der durch den Regler durchlaufenden Flüssigkeit. Dieser Umstand gestattet
es, bei der Belastung größere Flüssigkeitsmengen über die Schraubenflächen des Rotors
und des Stators durchfließen zu lassen, als bei der Verwendung von konoidförmigen
Düsen.
[0018] Ein ähnlicher Effekt, d.h. eine Erhöhung der über die Schraubenflächen des Rotors
und des Stators bei der Steigerung der Belastung an der Antriebswelle durchfließenden
Flüssigkeitsmenge kann auch durch Anwendung anderer konstruktiver Lösungen erzielt
werden, jedoch müssen dabei die allgemeinen Prinzipien der vorliegenden Erfindung
unverändert bleiben.
[0019] Zur Senkung der spezifischen, auf die Düse einwirkenden Belastungen, werden zweckmäßigerweise
im axialen Kanal mehrere Düsen aufeinanderfolgend angebracht. Dabei bleibt der Betrieb
der gesamten Vorrichtung unverändert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
[0020] Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachstehend anhand einer
eingehenden Beschrei-
bung der Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 - einen Längsschnitt durch einen Bohrlochsohlenmotor mit einer Düse in einer
der Ausführungsformen eines im axialen Kanal des Rotors angebrachten Reglers;
Fig. 2 - einen Längsschnitt durch einen Flüssigkeitsstromregler mit einer Düse im
vergrößerten Maßstab;
Fig. 3 - ein Strömungsbild für die durch die Düse durchlaufende Flüssigkeit;
Fig. 4, 51 6 - verschiedene Ausführungsformen der Düse;
Fig. 7, 8 - experimentell gewonnene Energiekennlinien des Prototypes und der vorliegenden
Erfindung.
Beste Ausführungsvariante der Erfindung
[0021] Der Schrauben-Bohrlochsohlenmotor (Fig. 1) enthält eine Antriebseinheit 1 und eine
Spindeleinheit 2. Die Antriebseinheit 1 umfaßt Arbeitsorgane - einen Stator 3 und
einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor 4, der im Stator 3 untergebracht ist. In einem
axialen durchgehenden, mit dem Hochdruckbereich der Betriebsflüssigkeit in Verbindung
stehenden Kanal 5 des Rotors 4 ist ein Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes
angebracht. Im Unterteil ist der Rotor 4 mit einer Gelenkwelle 7 verbunden, die ihrerseits
mit einer Antriebswelle 8 der Spin-
deleinheit 2 verbunden ist. Im Gehäuse 11 der Spindeleinheit 2 sind im Zwischenraum
zwischen einem Anpa
ßstück 12 und einem Verbindungsübergangsstück 13 Radiallagerungen 9 und eine Axiallagerung
10, welche an der Welle 8 befes- tigt, sind, angeordnet. Im Oberteil des Motors ist
für seinen Anschluß an ein Bohrgestänge ein Ubergangsstück 14 vorgesehen. An den Unterteil
der Antriebswelle B wird ein Gesteinszerstörungswerkzeug (in Fig. nicht gezeigt) angeschlossen.
[0022] Der Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes (Fig.
2) stellt ein abnehmbares Gehäuse 15 dar, in dem sich eine Düse 16 befindet, die z.B.
aus Keramik hergestellt worden ist. Im Zwischenraum zwischen dem Gehäuse 15 und dem
Rotor 4 sowie im Zwischenraum zwischen der Düse 16 und dem Gehäuse 15 sind Dichtungsringe
17 und 1d z.B. aus Gummi vorhanden.
[0023] Die Düse 16 besteht aus zwei aufeinanderfolgend in der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit
angeordneten Kammern: einer Aufnahmekammer A und einer Abgabekammer B. Die Oberflächen
19 und 20 der Aufnahmekammer A und der Abgabekammer B entsprechend sind über eine
Bruchlinie 21 gekoppelt. Der ringförmige, an die Bruchlinie 21 angrenzende Abschnitt
22 der Aufnahmekammer
A ist relativ zu der Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit konvex ausgeführt. Der
Durchmesser D des Eintrittsquerschnittes der Kammer A ist größer als der Durchmesser
d des Austrittsquerschnittes dieser Kammer A. Mit anderen Worten ist die Querschnittsfläche
der Aufnahmekammer
A am Eintritt größer als die Querschnittsfläche am Austritt aus dieser Kammer A.
[0024] Die Oberfläche 20 der Abgabekammer B kann eine beliebige Form aufweisen. Es ist jedoch
zweckmäßig, dieser Kammer B eine solche Form zu verleihen, die den größten Widerstand
dem durch die Düse 16 fließenden Strom der Betriebsflüssigkeit leistet. Dabei wird
die Oberfläche 20 der Kammer B ähnlich wie die Oberfläche 19 der Kammer A durch die
Drehung jeweils einer Kurve um eine Achse 0-0 gebildet, welche Kurve relativ zu der
Strömungsrichtung der Betriebsflüssigkeit kovex ist.
[0025] Im Längsschnitt der Düse 16 kreuzen sich die beiden genannten die Kammern A und B
bildenden Kurven in einem Punkt, der dem Knickpunkt äquivalent ist. Diese Punkte bilden
räumlich eine der Bruchlinie äquivalente Schnittlinie 21.
[0026] Der Schrauben-Bohrlochsohlenmotor hat folgende Wirkungsweise. Beim Einschalten von
auf der Tagesoberfläche befindlichen Spülpumpen wird eine Spülflüssigkeit über das
Bohrgestänge den Arbeitsorganen der Antriebseinheit 1 (Fig. 1) zugeführt.
[0027] Unmittelbar vor den Arbeitsorganen teilt sich der Strom : der Hauptteil des Stromes
fließt im Zwischenraum zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 4 durch und versetzt den
letzteren in Bewegung; der andere, kleinere Teil des Stromes, wird durch den Kanal
5 des Rotors 4 und den in diesem Kanal 5 angebrachten Regler 6 zur Regelung des Flüssigkeitsstromes
geleitet. Nach dem Durchlaufen durch die Arbeitsorgane vereinigen sich die beiden
Teilströme wieder zu einem einheitlichen Strom, der durch die Innenbohrung der Welle
8 der Spindeleinheit 2 auf die Bohrlochsohle gelangt.
[0028] Das in der Antriebseinheit 1 zu erzeugende Drehmoment wird von dem Rotor 4 über die
Gelenkwelle 7 auf die welle 8 und weiter auf ein Gesteinszerstörungswerkzeug (einen
Bohrmeißel) übertragen.
[0029] Durch die Wechselwirkung des Bohrmeißels und des zu zerstörenden Gesteins wird die
Größe des Widerstandsmomentes bestimmt, die durch den Motor zu überwinden ist. Während
des Betriebes des Motors wird das Drehmoment des Motors wie auch das Widerstandmoment
geändert.
[0030] Es ist bekannt, daß bei Motoren dieser Art das Drehmoment dem Druckgefälle an Arbeitsorganen
(im Arbeitsbereich der Kennlinie) bei der gleichbleibenden Durchflußmenge der Betriebsflüssigkeit
proportional ist. In dem als Prototyp gewählten Motor wird mit der Vergrößerung des
bei der Drehung des Meißels entstehenden Widerstandsmomentes, die durch den Zwischenraum
zwischen dem Rotor und dem Stator durchfließende Flüssigkeitsmenge proportional √P,
worin P das Druckgefälle an dem Motor bedeutet, vermindert. Dadurch werden die Kenndaten
des Motors bedeutend abgeschwächt, die Drehzahl der Antriebswelle 8 stark vermindert.
[0031] Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion des Motors fließt der Flüssigkeitsstrom durch
die Aufnahmekammer A (Fig. 3) als ob in zwei Strömen. Der längs der Achse 0-0 der
Düse 16 geleitete Hauptteil des Stromes tritt aus der Kammer A durch ihren von der
Bruchlinie 21 gebildeten Austrittsquerschnitt mit einem Durchmesser d aus, der andere,
periphere Teil des Stromes umspült die Oberfläche 19 der Kammer A. An der Bruchlinie
21 findet ein Abreißen dieses peripheren Teilstromes und eine intensive Durchmischung
mit dem zentralen Hauptteil des Stromes statt. In folgendem wird der periphere Teilstrom
als Widerstandsstrom genannt.
[0032] Somit führt die intensive Durchmischung des Hauptstromes und des Widerstandsstromes
zu einer Verminderung der Energie des in die Kammer B fließenden Stromes. Je höher
das Druckgefälle an den Arbeitsorganen - am Stator 3 und am Rotor 4 - und entsprechend
an der Düse 16 ist, desto intensiver geschieht die Durchmischung der Flüssigkeitsströme,
desto kleinere Flüssigkeitsmenge gelangt aus der Kammer A in die Kammer B und desto
größere Flüssigkeitsmenge wird in die Arbeitsorgane zugeführt.
[0033] Die in Fig. 4 dargestellte Düse 16 besteht aus zwei Elementen: aus einer Buchse 23
und einem zylinderförmigen Stab 24, die durch Stege 25 miteinander verbunden sind.
Ähnlich wie bei der oben beschriebenen Konstruktion sind in der Düse 16 zwei aufeinanderfolgend
in axialer Richtung angeordnete ringförmige Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine
Abgabekammer B vorgesehen, deren Oberflächen 19, 20 mit der Betriebsflüssigkeit umspült
werden. Die Kammern A und B sind durch die Oberflächen der Buchse 23 und des Stabes
24 gebildet. Die Oberfläche der Buchse 23 ist durch die Drehung einer Kurve um die
Achse 0-0 gebildet worden, welche Kurve relativ zu der erzeugenden des Zylinders mit
einem Halbmesser R konvex ist, worin R einen minimalen Abstand zwisehen der Achse
0-0 der Düse 16 und der der Bruchlinie 21 äquivalenten Linie bedeutet, welche durch
die Oberfläche 19 der Kammer A und die Oberfläche 20 der Kammer B bei deren Kreuzung
gebildet wird. Im vorliegenden Fall ist die Oberfläche 20 der Kammer B ähnlich wie
bei der vorhergehenden Ausführungsvariante der Erfindung durch die Drehung einer Kurve
einer beliebigen Form um die Achse 0-0 gebildet.
[0034] An der Innenfläche der Buchse 23 ist ein ringförmiger Ansatz 26 vorgesehen, der einen
konvexen Abschnitt 22 der Aufnahmekammer A bildet.
[0035] Während des Betriebes entsteht im Regler dieser Konstruktion dieselbe wirkung wie
in der Vorrichtung gemäß Fig. 3; der Unterschied besteht darin, daß der zum Zentrum
fließende Widerstandsstrom von der zylinderförmigen Fläche des Stabes 24 in Richtung
zu dem peripheren Bereich der Aufnahmekammer A hin zurückgeworfen wird und sich an
der Durchmischung mit dem Hauptstrom wieder beteiligt.
[0036] In Fig. 5 ist eine Düse 16 dargestellt, die ebenfalls eine Buchse 23 und einen Stab
24 enthält sowie zwei Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine Abgabekammer B hat.
Bei der Düse 16 dieser Konstruktion ist die Buchse 23 zylinderförmig ausgebildet,
während der Stab 24 mit einem ringförmigen Ansatz 27 versehen ist, der einen konvexen
Abschnitt 22 der Oberfläche 19 der Aufnahmekammer
A bildet. Die mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülende Oberfläche der Buchse 23 ist
zylinderförmig ausgebildet, während die Oberfläche des Stabes 24 in der Kammer B durch
die Drehung einer Kurve um die Achse 0-0 gebildet worden ist, welche Kurve relativ
zu der Erzeugenden Zylinders mit einem Halbmesser R konvex ist, worin R einen minimalen
Abstand zwischen der Achse 0-0 der Düse 16 und der Linie 21 bedeutet, die der durch
die Oberflächenabschnitte des Stabes 24 in der Kammer A und in der Kammer B bei deren
Kreuzung gebildeten Bruchlinie äquivalent ist.
[0037] Im Unterschied zu dem in Fig. 3 dargestellten Motor fließt hier der Widerstandsstrom
über die krummlinige Oberfläche in Richtung vom Zentrum der Düse 16 zu deren peripherem
Bereich hin, wird von der Zylinderfläche der Buchse 23 in Richtung zum Zentrum hin
zurückgeworfen, und beteiligt sich nochmal, aber mit einer geringeren Energie an der
Durchmischung mit dem Hauptstrom.
[0038] Die in Fig. 6 dargestellte Düse 16 besteht ebenfalls wie die zwei früher beschriebenen
aus zwei Elementen: einer Buchse 23 und einem Stab 24, die durch Stege 25 miteinander
verbunden sind. In dieser Düse 16 sind auch zwei in axialer Richtung aufeinanderfolgend
angeordnete Kammern: eine Aufnahmekammer A und eine Abgabekammer B vorgesehen deren
Oberflächen 19, 20 mit der Betriebsflüssigkeit umspült werden. Die Buchse 23 ist mit
einem ringförmigen Ansatz 28 und der Stab 24 mit einem ringförmigen Ansatz 29 versehen.
Jeder der Ansätze 28, 29 bildet einen konvexen Oberflächenabschnitt 22, 19 der Aufnahmekammer
A: Die in der Kammer A befindlichen Oberflächen der Buchse 23 und des Stabes 24 werden
durch die Drehung entsprechender Kurven um die Achse 0-0 gebildet, von denen jede
Kurve relativ zu der Erzeugenden des Zylinders mit einem Halbmesser R konvex ist,
wobei R einen minimalen Abstand zwischen der Achse 0-0 der Düse 16 und der entsprechenden,
der Bruchlinie 21 äquivalenten Linie bedeutet.
[0039] Der Betrieb des vorliegenden Reglers zur Regelung des Betriebsflüssigkeitsstromes
unterscheidet sich dadurch, daß hier zwei Widerstandsströme gebildet werden, u.z.,
der eine Strom fließt über die krummlinige Oberfläche der Buchse 23 in Richtung vom
peripheren Bereich zum Zentrum der Düse 16 hin und der andere über die krummlinige
Oberfläche des Stabes 24 in Richtung vom Zentrum der Düse 16 zu deren peripherem Bereich
hin. In einem von den Halbmessern R und R' gebildeten Ring findet eine Kreuzung der
genannten Ströme statt, was zu einer zusätzlichen Durchmischung der Flüssigkeitsströme
beiträgt.
[0040] Bei den oben beschriebenen Ausführungsvariante des Motors gemäß der vorliegenden
Erfindung nimmt folglich beim Vorhandensein von zwei parallelen Strömen, der eine
von denen seine zusätzlichen Widerstandsströme bildet, die Energie der letzteren mit
der Steigerung des Druckgefälles zu, d.h. die Abhängigkeit der durch die Arbeitsorgane
sowie durch die Düse 16 durchfließenden Flüssigkeitsmenge von dem Belastungszustand
des Motors ist ihrem Wesen nach je nach der Belastung des Motors durch ein von außen
einwirkendes Moment kompliziert. Es kann jedoch nachgewiesen werden, daß durch die
Verwendung von Düsen in der konstruktiven Gestaltung gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem Regler zur Regelung des Flüssigkeitsstromes der Energiekennlinie des Motors
eine größere. Steifigkeit verliehen wird, was natürlich zu einer Erhöhung der Belastbarkeit
des Motors, zu einer geringfügigen Senkung der Drehzahl der Antriebswelle des Motors
führt.
[0041] In Fig. 7 und 8 sind die Energiekennlinien, d.h. die Abhängigkeiten der relativen
Werte des Druckgerälles Δ P und der Drehzahl n der Antriebswelle 8 von dem relativen
Wert des Drehmomentes M eines als Prototyp gewählten Schraubenmotors und des Schraubenmotors
gemäß der vorliegenden Erfindung entsprechend, dargestellt.
[0042] Eine Analyse der angeführten Kennlinien zeigt,
daß die Zone S eines stabilen Betriebes des Motors gemäß Fig. 8 um 18% die Zone Z eines
staoilen Betriebes des Motors gemäß Fig. 7 nach der Größe des Drehmomentes übersteigt.
Für denselben Punkt beträgt der Drehzahlabfall bei dem als Prototyp gewählten Motor
57%, und beim Motor mit einem Regler zur Regelung des Stromes 50%. Betrachtet man
den Drehzahlabfall an den Motoren beim Anlegen von gleichgroßen von außen einwirkenden
Widerstandsmomenten, wird dieser Unterschied noch offensichtlicher und wesentlicher.
Das ist darauf zurückzuführen, daß dem mit einem Regler zur Regelung des Stromes versehenen
Motor bei einer Erhöhung des Druckes an Arbeitsorganen jedes Mal eine größere (im
Vergleich zu dem als Prototyp gewählten Motor) Flüssigkeitsmenge zugeführt wird, wodurch
nicht nur die "Steifigkeit" der Kennlinie, sondern auch mittlere Betriebswerte des
Drehmomentes und der Drehzahl zunehmen.
Industrielle Anwendbarkeit
[0043] Besonders wirksam kann die vorliegende Erfindung in Schrauben-Bohrlochsohlenmotoren
ihre Anwendung finden, die als Antrieb eines Gesteinszerstörungswerkzeuges beim Niederbringen
von Erdöl- und Erdgasbohrungen dienen.
[0044] Die Erfindung kann auch in Turbobohren eingesetzt werden.
1. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor, enthaltend eine Spindeleinheit (2) und eine Antriebseinheit
(1), die Arbeitsorgane - einen Stator (3) und einen als Hohlkörper ausgeführten Rotor
(4) - hat, in dessen axialem, mit dem Hochdruckbereich der Betriebsflüssigkeit verbundenem
Kanal (5) ein Regler (6) zur Regelung des Flüssigkeitsstromes mit einer Düse (16)
angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (16) zwei in der Strömungsrichtung
der Betriebsflüssigkeit aufeinanderfolgend angeordnete Kammern: eine Aufnahmekammer
(A) und Abgaoekammer (B) hat, deren mit der Betriebsflüssigkeit zu umspülende Oberflächen
(19, 20) über eine Bruchlinie (21) gekoppelt sind, wobei der ringförmige, an die Bruchlinie
(21) angrenzende Abschnitt (22) der Aufnahmekammer (A) relativ zu der Strömungsrichtung
der Betriebsflüssigkeit konvex ausgeführt ist und die Querschnittsfläche der Aufnahmekammer
(A) am Austritt kleiner als deren Querschnittsfläche am Eintritt ist.
2. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Düse (16) aus zwei Elementen, nämlich einer Buchse (23) und einem innerhalb dieser
Buchse angeordneten Stab (24) besteht, wobei die Aufnahmekammer (A) und die Abgabekammer
(B) durch die Oberflächen der Buchse (23) und des Stabes (24) gebildet sind und eine
ringförmige Gestalt haben.
3. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß der Stab
(24) zylinderförmig ausgeoildet ist, und die Buchse (23) an der Innenfläche mit einem
ringförmigen Ansatz (26) versehen ist, der einen konvexen Abschnitt (22) der Oberfläche
(19) der Aufnahmekammer (A) bildet.
4. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß die Buchse
(23) zylinderförmig ausgebildet ist, und der Stab (24) mit einem ringförmigen Ansatz (27) versehen ist, der einen konvexen Abschnitt (22)
der Oberfläche (19) der Aufnahmekammer (A) bildet.
5. Schrauben-Bohrlochsohlenmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Buchse (23) und der Stab (24) mit ringförmigen Ansätzen (2d, 29) versehen sind, von
denen jeder Ansatz einen konvexen Abschnitt (22) der Oberfläche der Aufnahmekammer
(A) bildet.